反饋式振蕩器相位噪聲的理論分析及優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、振蕩器，包括聲體波（BAW）和聲表面波（SAW）振蕩器，由于其在高頻/甚高頻/特高頻（HF/VHF/UHF）頻段具有方便獲取的高品質(zhì)因數(shù)的特性，是天文、物理、航空航天、雷達(dá)、測(cè)試、測(cè)量和通信系統(tǒng)等研究領(lǐng)域中最為常用的基礎(chǔ)元件之一。隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)水平的不斷提高，振蕩器作為各種頻率源的參考源和產(chǎn)生時(shí)間頻率基準(zhǔn)的關(guān)鍵器件，其相位噪聲越來越成為限制各種電路與系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。因此，研究和分析降低相位噪聲的途徑對(duì)振蕩器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用都具

2、有十分重要的意義。
　　在振蕩器的相位噪聲模型之中，最為直觀、使用最為方便的是Leeson的相位噪聲模型。但是經(jīng)典的Leeson模型缺乏對(duì)相位噪聲影響最大的有載品質(zhì)因數(shù)與振蕩電路參數(shù)之間定量的研究和分析。本文正是在Leeson模型的基礎(chǔ)上，揭示了振蕩器中諧振器的等效電路參數(shù)和振蕩電路參數(shù)對(duì)有載品質(zhì)因數(shù)值的決定關(guān)系，提出了不同振蕩電路類型下的有載品質(zhì)因數(shù)的顯性表示式。進(jìn)而在提高有載品質(zhì)因數(shù)值的基礎(chǔ)上，定量分析和評(píng)估了多種材料、多種工

3、藝和多種振蕩電路的聲體波和聲表面波振蕩器的相位噪聲。本文主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　1．目前振蕩器的設(shè)計(jì)缺少物理角度的方法簡單而精確的優(yōu)化振蕩電路，為了解決這一問題，本文提出了一種簡單而有效的可針對(duì)皮爾斯和巴特勒振蕩電路的相位噪聲分析方法。
　　2．分析了振蕩器的各種相位噪聲模型，從振蕩器Leeson模型的基礎(chǔ)上揭示了振蕩器中諧振器的等效電路參數(shù)和振蕩電路參數(shù)對(duì)有載品質(zhì)因數(shù)的影響，進(jìn)而通過對(duì)雙口網(wǎng)絡(luò)理論的分析，提出了在不同振

4、蕩器電路類型下的有載品質(zhì)因數(shù)的顯性表示式，彌補(bǔ)了Leeson模型缺乏有載品質(zhì)因數(shù)與振蕩電路參數(shù)之間定量關(guān)系的不足。
　　3．從振蕩器頻譜純度的角度結(jié)合實(shí)際的皮爾斯和巴特勒振蕩電路，根據(jù)本文提出的物理基礎(chǔ)上的有載品質(zhì)因數(shù)表示式，詳細(xì)研究了諧振器等效電路參數(shù)和振蕩電路參數(shù)對(duì)有載品質(zhì)因數(shù)的共同影響；在此基礎(chǔ)上分別針對(duì)120MHz AT切和SC切皮爾斯晶體振蕩器、315MHz巴特勒聲表面波壓控振蕩器以及鉭酸鋰晶體壓控振蕩器幾種不同材料、不

5、同工藝、不同電路類型的振蕩器，對(duì)比研究了相位噪聲的優(yōu)化技術(shù)，提出了一種基于提高有載品質(zhì)因數(shù)的振蕩器設(shè)計(jì)方法。大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明，本文提出的從提高有載品質(zhì)因數(shù)的角度出發(fā)降低相位噪聲的方法能夠有效的改善振蕩器的相位噪聲特性，對(duì)振蕩器設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，同時(shí)為低相位噪聲振蕩器及其諧振器的深入研究提供了量化的分析方法和科學(xué)依據(jù)。
　　4．深入研究了振蕩器的溫度補(bǔ)償和隔振方法，并分別設(shè)計(jì)了一種新型的 AT切低相位噪聲集成溫度補(bǔ)償晶體振蕩器和一

6、種石英晶體振蕩器的雙層被動(dòng)隔振系統(tǒng)，以求振蕩器達(dá)到更好的頻率穩(wěn)定度和相位噪聲水平；精確推導(dǎo)了串電容后晶體諧振器等效電路參數(shù)的公式，得到的結(jié)果與使用了高頻、高品質(zhì)因數(shù)或高電容比等假設(shè)下的結(jié)果一致，故只要等效電路相同，此公式同樣適用于低品質(zhì)因數(shù)、低電容比器件，甚至適用于實(shí)際的電感電容網(wǎng)絡(luò)，此推導(dǎo)結(jié)果擴(kuò)展了諧振器等效電路參數(shù)公式的應(yīng)用范圍；另外，研究了聲體波諧振器中的能陷問題，從理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法給出了石英晶體振蕩器的能陷現(xiàn)象與相位噪聲的關(guān)系